több fermion, amelyek normális esetben nem foglalhatják el ugyanazt a kvantumállapotot, elérheti a fermionikus kondenzátumnak nevezett állapotot, ahol mindannyian elérik a lehető legalacsonyabb energiájú konfigurációt. Ez az anyag hatodik állapota. Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
Hány anyagállapot létezik? Amikor fiatal voltál, valószínűleg tanultál a háromról, amelyek a legáltalánosabbak a tapasztalatainkban: szilárd, folyékony és gáz. Ezek mindegyike rendszeresen előfordul itt a Föld felszínén: a kőzetek és a jég szilárd testek, a víz és sok olaj folyadék, míg a légkör, amelyet belélegzünk, gáz. Az anyagnak ez a három gyakori állapota azonban mind semleges atomokon alapul; olyan korlátozások, amelyekhez az Univerzum nem kötődik.
Ha bármelyik atomot elég energiával bombázzuk, lerúgjuk róla az elektronokat, és ionizált plazmát hozunk létre: az anyag negyedik állapotát. De létezik még két további anyagállapot is: Bose-Einstein kondenzátumok és fermionikus kondenzátumok, az anyag ötödik és hatodik állapota. Jelenleg ezek csak extrém laboratóriumi körülmények között érhetők el, de fontos szerepet játszhatnak magában az Univerzumban. Íme, miért.
jelentős mértékben eredményezhet szilárd (jég) vagy gáz (vízgőz) állapotot, attól függően, hogy milyen a hőmérséklet és milyen gyorsan megy végbe az átmenet. Megfelelően magas hőmérsékleten minden atomi alapú anyag ionizált plazmává válik: ez az anyag negyedik állapota. Wikimedia Commons / Matthieumarechal
Itt a Földön minden atomokból áll. Egyes atomok molekulákká kapcsolódnak össze; más atomok önálló egységként léteznek. Függetlenül attól, hogy egy adott kémiai vegyületben – víz, oxigén, metán, hélium stb. – hány atom van, a hőmérséklet és a nyomásviszonyok kombinációja határozza meg, hogy szilárd, folyékony vagy gáz-e.
A víz – a leghíresebb – alacsony hőmérsékleten és szerény nyomáson megfagy, nagyobb nyomáson és/vagy magasabb hőmérsékleten folyékonnyá válik, és még magasabb hőmérsékleten vagy nagyon alacsony nyomáson gázzá válik. Van azonban egy kritikus hőmérséklet, körülbelül 374 °C (705 °F) felett, ahol ez a megkülönböztetés megszűnik. Alacsony nyomáson még mindig gázt kapunk, magasabb nyomáson pedig szuperkritikus folyadékot, amely egyszerre rendelkezik gáz és folyadék tulajdonságokkal. Ha még magasabb hőmérsékletre megyünk, akkor a molekulák ionizálódni kezdenek, és plazma jön létre: az anyagnak ez a negyedik állapota.
néha, ha a részecskék hőmérséklete/energiája elég magas, egy átmeneti állapotot hoz létre, amelyet kvark-gluon plazmának neveznek: ahol még az egyes protonok és neutronok sem tudnak stabilan kialakulni. Ez a hagyományosabb plazma nukleáris analógja, ahol az elektronok és az atommagok nem sikeresen kötődnek össze, hogy stabil, semleges atomokat alkossanak. Brookhaven National Laboratory / RHIC
Bár itt ér véget az anyagállapotok legtöbb tárgyalása, ezzel aligha ér véget a tudományos történet. Valójában ez csak a történet atomi részének a vége. A többihez be kell merészkednünk a szubatomi világba: az atomnál kisebb részecskék világába. Egyikkel már találkoztunk: az elektronnal, amely a Standard Modell egyik alaprészecskéje.
Az elektronok az atomok negatív töltésű részecskéi, amelyek az atommag körül keringenek, ugyanazok a részecskék, amelyek nagy energiáknál kilökődnek, és ionizált plazmát alkotnak. Az atommag eközben protonokból és neutronokból áll, amelyek viszont egyenként három kvarkból állnak. A protonokon és neutronokon belül a gluonok, valamint a kvark-antikvark párok folyamatosan keletkeznek, megsemmisülnek, kibocsátódnak és elnyelődnek az egyes összetett részecskéken belül. Zűrzavaros szubatomi világ van minden proton és neutron belsejében.
a spinje, de a gluonok, a tengeri kvarkok és antikvarkok, valamint a keringési szögmomentum is. Az elektrosztatikus taszítás és a vonzó erős magerő együttesen adják a proton méretét, és a kvarkok keveredésének tulajdonságai szükségesek ahhoz, hogy megmagyarázzuk a szabad és összetett részecskék sorát Univerzumunkban. Az egyes protonok összességében fermionként viselkednek, nem pedig bozonként. APS/Alan Stonebraker
Itt a kulcspont, amely elvezet minket az anyag ötödik és hatodik állapotához: az Univerzumban minden részecske, függetlenül attól, hogy alap- vagy összetett részecske, két kategória egyikébe tartozik.
- Fermion. Ez egy olyan részecske, amelynek, ha megmérjük a spinjét (vagy belső szögimpulzusát), mindig a Planck-állandó fél egész értékében kvantált értékeket kapunk: ±1/2, ±3/2, ±5/2 stb.
- Bozon. Ez egy olyan részecske, amelynek a spinjét mérve mindig a Planck-állandó egész számú értékeiben kvantált értékeket kapunk: 0, ±1, ±2, stb.
Ez az. Az egész ismert Univerzumban nincs olyan részecske – sem alapvető, sem összetett -, amely más kategóriába tartozna. Minden, amit valaha is mértünk, vagy fermionként vagy bozonként viselkedik.
A modell mindenféle megőrzési törvénynek engedelmeskedik, de alapvető különbségek vannak a fermionikus részecskék és az antirészecskék, valamint a bozonok között. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Az elektronok, mint ±½ spinű alaprészecskék, nyilvánvalóan fermionok. A protonok és neutronok, amelyek mindegyike egyenként három kvarkból áll, szintén csak ±½-es spinűek lehetnek, mivel az egyik kvark spinje mindig szemben áll a másik kettő spinjével. Ha azonban egy protont és egy neutront összekötünk, akkor egy összetett részecskét hozunk létre, amelyet deuteronnak nevezünk: a hidrogén egyik nehéz izotópjának, a deutériumnak az atommagját.
A deuteron, amely egy másik fermionnal összekötött fermion, mindig bozonként viselkedik. (Miért? Mert ±½ + ±½ csak -1, 0 vagy +1 lehet: a bozonok spinértékei). Akár alap-, akár összetett részecskékkel van dolgunk, a fermionok és a bozonok egy kulcsfontosságú különbséget mutatnak egymáshoz képest. Igen, a spinjeik különbözőek, de ez a különbség egy elképesztő következményhez vezet: a fermionok engedelmeskednek a Pauli-kizárási elvnek; a bozonok nem.
beleértve a szerves molekulákat és a biológiai folyamatokat, csak azért lehetséges, mert az elektronokra vonatkozó Pauli-kizárási szabály megtiltja, hogy bármelyik kettő közülük ugyanazt a kvantumállapotot foglalja el. Jenny Mottar
A Pauli-kizárási elv az egyik legfontosabb sarokpont, amelyet a kvantummechanika kezdeti időszakában fedeztek fel. Azt állítja, hogy két fermion nem foglalhat el pontosan ugyanazt a kvantumállapotot, mint a másik.
Ez akkor lép életbe, amikor elkezdünk elektronokat helyezni egy teljesen ionizált atommagra. Az első elektron a lehető legalacsonyabb energiájú konfigurációba süllyed: az alapállapotba. Ha hozzáadunk egy második elektront, az is megpróbál lejutni az alapállapotba, de azt tapasztalja, hogy az már foglalt. Hogy konfigurációjának energiáját minimalizálja, ugyanabba az állapotba süllyed, de a spinjét meg kell fordítani: +½, ha az első elektron -½ volt; -½, ha az első elektron +½ volt. Minden további elektronnak egyre magasabb és magasabb energiájú állapotba kell kerülnie; ugyanabban a fizikai rendszerben nem lehet két elektronnak pontosan ugyanaz a kvantumkonfigurációja.
különböző állapotoknak felel meg egy hidrogénatomon belül. Az elektron spin = 1/2 jellege miatt egy adott állapotban egyszerre csak két (+1/2 és -1/2 állapotú) elektron lehet. PoorLeno / Wikimedia Commons De ez nem igaz a bozonokra. Annyi bozont helyezhetsz alapállapotú konfigurációba, ahányat csak akarsz, minden korlátozás nélkül. Ha megteremtjük a megfelelő fizikai feltételeket – például lehűtjük a bozonokból álló rendszert, és ugyanarra a fizikai helyre zárjuk őket -, akkor nincs korlátja annak, hogy hány bozon fér el ebben a legalacsonyabb energiájú állapotban. Ha elérjük ezt a sok bozont tartalmazó konfigurációt, amelyek mind ugyanabban a legalacsonyabb energiájú kvantumállapotban vannak, akkor elértük az anyag ötödik állapotát: a Bose-Einstein-kondenzátumot.
A hélium, a két protonból, két neutronból és négy elektronból álló atom egy stabil atom, amely páros számú fermionból áll, és ezért bozonként viselkedik. Elég alacsony hőmérsékleten szuperfolyadékká válik: olyan folyadékká, amelynek viszkozitása nulla, és nincs súrlódás sem önmaga, sem bármely tartály között, amellyel kölcsönhatásba lép. Ezek a tulajdonságok a Bose-Einstein-kondenzáció következményei. Bár a hélium volt az első bozon, amely elérte az anyagnak ezt az ötödik állapotát, ezt azóta gázok, molekulák, kvázirészecskék és még fotonok esetében is reprodukálták. Ez ma is aktív kutatási terület.
mielőtt (L), közben (középen) és után (R) a BEC-állapotba való átmenet befejeződik. Az ábra háromdimenziós, időben egymást követő pillanatfelvételeket mutat, amelyekben az atomok a kevésbé sűrű piros, sárga és zöld területekből nagyon sűrű kék és fehér területekbe sűrűsödtek. NIST/JILA/CU-Boulder
A fermionok viszont nem lehetnek mind ugyanabban a kvantumállapotban. A fehér törpecsillagok és a neutroncsillagok nem omlanak össze a Pauli-kizárási elv miatt; a szomszédos atomokban lévő elektronok (fehér törpékben) vagy az egymással határos neutronok (neutroncsillagokban) nem tudnak teljesen összeomlani saját gravitációjuk alatt, a Pauli-kizárási elv által biztosított kvantumnyomás miatt. Ugyanaz az elv, amely az atomi szerkezetért felelős, megakadályozza, hogy ezek a sűrű anyagkonfigurációk fekete lyukakká omoljanak össze; két fermion nem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot.
Hogyan lehet tehát elérni az anyag hatodik állapotát: a fermionikus kondenzátumot? Akár hiszik, akár nem, a fermionikus kondenzátumok története egészen az 1950-es évekig nyúlik vissza, a Nobel-díjas fizikus, Leon Cooper hihetetlen felfedezéséig. A fogalom, amelyet érdemes megjegyezni, róla kapta a nevét:
töltött elektronok kissé megváltoztatják a pozitív töltések konfigurációját a vezetőben, így az elektronok kissé vonzó relatív erőt tapasztalnak. Ez azt eredményezi, hogy párosodva Cooper-párokat alkotnak, a fermionikus kondenzátum valaha felfedezett első formáját. Tem5psu / Wikimedia Commons
Alacsony hőmérsékleten minden részecske a legalacsonyabb energiájú, alapállapotú konfigurációja felé tendál. Ha veszünk egy vezető fémet, és eléggé lecsökkentjük a hőmérsékletet, két ellentétes spinű elektron össze fog párosodni; ez a parányi vonzás hatására az elektronok kevésbé energikus, stabilabb konfigurációban fognak párosodni, mintha minden elektronja külön-külön mozogna.
A fermionikus kondenzátumok alacsonyabb hőmérsékletet igényelnek, mint a Bose-Einstein-kondenzátumok, de ezek is szuperfolyadékként viselkednek. 1971-ben kimutatták, hogy a hélium-3 (amely egy neutronnal kevesebbet tartalmaz, mint a standard hélium) 2,5 millikelvin alatti hőmérsékleten szuperfolyadékká válik, ez volt az első olyan szuperfolyadék kimutatása, amelyben csak fermionok vesznek részt. 2003-ban Deborah Jin fizikus laboratóriumában létrehozták az első atomi alapú fermionikus kondenzátumot, kihasználva az erős mágneses teret és az ultra-hideg hőmérsékletet, hogy az atomokat ebbe a keresett állapotba csalogassák.
az anyag szokásos állapotai, rendkívül alacsony hőmérsékleten kondenzátumok keletkezhetnek, egyedülálló fizikai tulajdonságokkal. ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Az anyag három szokásos állapota – szilárd, folyékony és gáz – mellett létezik egy magasabb energiájú állapot, az ionizált plazma, amely ott keletkezik, ahol az atomok és molekulák túl kevés elektronnal rendelkeznek ahhoz, hogy elektromosan semlegesek legyenek. Ultraalacsony hőmérsékleten azonban a részecskék két alapvető osztálya, a bozonok és a fermionok, mindkettő a maga sajátos módján össze tud sűrűsödni, és így Bose-Einstein-, illetve fermionikus kondenzátumokat hozhatnak létre: az anyag ötödik és hatodik állapotát.
Ahhoz azonban, hogy anyagból fermionikus kondenzátumot hozzunk létre, rendkívüli körülményeket kell elérni: 50 nanokelvin alatti hőmérsékletet, időben változó mágneses térrel. Az űr hatalmas mélységeiben azonban kiválóan lehetséges, hogy a neutrínók (amelyek fermionokból állnak) vagy a sötét anyag (amely lehet fermion vagy bozon) összecsomósodnak, és saját kondenzátumot alkotnak. Az Univerzum egyik legnagyobb rejtélyének megfejtésének kulcsa az anyag legritkább és legszélsőségesebb ismert állapotában rejlik.
Kövessen a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.